Q460低合金高强度钢的焊接工艺分析

Q460低合金高强度钢的焊接工艺分析

蔺云峰（山西焦煤霍煤电集团机电总厂，山西霍州，031412）

摘要：介绍了Q460低合金结构钢的主要成分、力学性能，给出了焊接Q460低合金高强度钢的焊接应选用的焊接材料和焊接设备，对焊接过程中存在的主要问题提出了解决的办法。关键词：Q460；焊接工艺；焊接性能

液压支架的作用是有效地支撑工作面的顶板，隔离采空区，防止矸石进入回采工作面和推进输送机。它与采煤机和输送机配套使用，实现采煤综合机械化。其使用寿命取决于本身结构的质量。由于支架结构件工作环境恶劣，使用过程中承受动、静载荷，存在应力腐蚀现象等。为了保证支架结构件在使用过程中动作可靠，支架尺寸稳定性的要求，以及预防焊接过程中产生冷裂纹、热裂纹及气孔现象，我公司液压支架结构件大多采用Q460低合金高强度钢。经过反复试验，我们完善了Q460低合金高强度钢的焊接工艺。

1．Q460低合金结构钢主要成分及力学性能

（1）Q460低合金高强度钢是在16Mn钢的基础上加入Cr，Ni，V，Ti等合金元素炼制而成。钒和钛的加入，能使钢材强度增高，同时又能细化晶粒，减少钢材的过热倾向。Q460低合金高强度结构钢的力学性能见表1，Q460低合金高强度结构钢的成分见表2。

（2）焊接性分析。低合金钢焊接具有热裂纹、冷裂纹、淬硬倾向及氢致裂纹敏感性强等主要特点。碳当量是判断焊接性最简便的方法之一。碳当量是指把钢中合金元素（包括碳的含量）按其作用换算成碳的相当含量。随着碳当量的增加，钢的塑性急剧下降，并且在高应力的作用下，产生焊接裂纹的倾向也大为增加，焊接时有明显的淬硬倾向。因此焊接时，需较小的热输入。同时，氢致裂纹是低合金结构钢焊接接头最危险的缺陷，所以需要采取适当预热，控制线能量等工艺措施。

表1 Q460低合金高强度结构钢的力学性能

牌号屈服强度σs/MPa 抗拉强度/MPa 伸长率δ5/%

Q460 460 550～720 17

表2 Q460低合金高强度结构钢的成分（％）

w（C）w（Si）w（Mn）w（S）w（P）5w（Cr）w（Ni）w（Ti）w（Nb）

≤0.2 ≤0.55 1.0～1.7 ≤0.035 ≤0.03 ≤0.7 ≤0.7 0.02～0.2 0.015～0.06 2．焊接材料及焊接设备的选用

（1）结合性能与使用性能是选用焊材的决定因素。对焊缝的力学性能要求，抗拉强度就是由结合性能与使用性能决定的。同时，考虑等强度的原则，选择H08MnMoA焊丝.

（2）点焊时选用E5515碱性焊条，此焊条熔敷金属抗拉强度最小值为550MPa，适用于全位置焊接，药皮为低氢钠型。采用直流反接焊接。用此焊条，由于脱氧完全，合金过渡容易，能有效地降低焊缝中的氢、氧、硫；焊缝中的力学性能和抗裂性能均比酸性焊条好。焊接时采用短弧焊。

（3）焊接设备选用OTC500CO2气体保护焊机。采用CO2气体保护焊的焊接方法，其焊接效率高，没有熔渣，熔池可见度好，热量集中，焊接热影响区窄，焊接变形小，焊接接头含氢量低。焊接工艺参数见表4

焊接焊丝直径/焊丝伸出长度/焊接电流/电弧电压气体流量/

层次mm mm A /V （L/min）

打底焊 1.2 20 90～110 18～20 10～15

填充焊 1.2 20 220～240 24～26 20

盖面焊 1.2 20 250～270 27 20

3．焊接工艺要求

（1）由于液压支架的底座，顶梁，掩护梁，前、后连杆及侧护板，大部采用Q460钢板，且厚度为16mm～60mm，所以，下料由数控切割机下料，严格控制切割速度为200mm/min～300mm/min，为下道工序保证点装尺寸做好基础。坡口由双工位机架人，或手工切割而成。（2）点装前，坡口及坡口两侧50mm范围内用手动砂轮机将水、油污、锈皮等清理干净，直到露出金属光泽。

（3）焊接顺序。合理的焊接顺序是防止焊接变形的最重要的环节，焊接时按照先四周主筋板，后其他筋板、隔板；先纵焊缝后横焊缝；先里后外；对称交错的原则对结构件进行施焊，可有效地防止结构件的焊接形变。

（4）当环境温度高于5℃时，焊接Q460钢板时可不预热，当环境温度低于5℃时，可将Q460钢板预热到100℃～150℃，并且焊后需及时用石棉被盖住，防止冷却速度过快，产生裂纹，焊接≥20mm的厚板时，采用多层多道焊接方法，一般为三层三道焊接，并且层间温度不低于100℃左右，焊后一般采用500℃～560℃回火处理，防止产生裂纹。焊接过程中，最好2个人同时对称焊接，并且轮流焊接，这样不至于结构件降温后需重新预热

4. Q460钢板焊接过程中存在的问题及解决办法

4.1应变时效引起的局部脆性断裂

（1）在液压支架使用过程中，结构件损坏往往是由于应变时效引起的局部脆性断裂。应变时效引起的局部脆性：Q460钢材经过剪切、压弯等冷加工后，会产生一定的塑性变形。在液压支架生产过程中，有许多筋板、隔板需要剪板机剪切，还有许多弧板、盖板需要用压力机压弯，最后又经过200℃～400℃温度范围内的加热就会引起应变时效。焊接时，金属受到热循环的作用，特别是在热影响区的某些尖端附近或多层焊道中已焊完焊道中的缺陷附近，将产生较大的应力———应变集中，从而引起较大的塑性变形。这种塑性变形在焊接热循环的作用下，也会引起应变时效，称为热应变脆化，其结果使接头局部脆化，同时热应变脆化大大降低了材料塑性，提高了材料的脆性转变温度，使材料的缺口韧性下降。

（2）对策。焊后对液压支架的结构件整体高温回火热处理，可消除80％～90％的残余应力，而且能够改变局部脆性。具体措施是将焊件整体放入加热炉中，并缓慢加热至500℃～560℃，经一段时间（2h）保温后，随炉冷却（50℃～100℃）至200℃～300℃以下出炉。出炉后立即用石棉被盖住，防止冷却过快。如不及时消除，内应力与外加载荷叠加在一起，将引起材料发生意外的断裂。

4.2液压支架焊接过程中的应力与变形

4.2.1产生焊接残余应力的主要原因焊接时，不均匀地加热与冷却是产生焊接残余应力的主要原因。一般来说，在焊接条件下主要存在温度应力、组织应力、拘束应力、氢致应力。

4.2.2控制焊接残余应力的措施

（1）选择合理的装配焊接顺序。施焊时，要考虑到焊缝尽可能地收缩以减少结构的拘束度，从而降低焊接残余应力。一般来说，应先焊错开的短焊缝，再焊直通长焊缝。这样能最大限度地让焊缝收缩，减少焊接残余应力。

（2）选择合理的焊接参数。对于需严格控制焊接残余应力的工件，焊接时尽可能采用较小的焊接电流和较快的焊接速度，来减少焊件的受热范围，从而减少残余应力。

（3）焊接过程中采用多层多道焊接，且每次的焊缝长度要短，并且控制层间温度不低于规定值。在每道焊缝冷却过程中，采用锤击焊缝方法，可以降低焊缝的残余应力的25％～50％。（4）采用加热“减应区”法。加热“减应区”法就是在焊接或焊补刚度较大的结构时，通

过加热影响焊接区自由伸缩的部位即所谓的“减应区”，使之与焊接区的膨胀和收缩协调进行，从而起到减少焊接残余应力的作用。

（5）在生产实际过程中，往往还可采用反变形法来降低结构的局部刚性而有效地控制残余应力。

（6）对焊缝区域施加振动载荷，使振源与结构件发生稳定的共振，利用稳定共振产生的变载应力，使焊缝区域产生塑性变形，以达到消除焊接残余应力的目的。

（7）预热法。焊接温差越大，残余应力也越大，因此焊前预热可降低温差和减慢冷却速度，从而减少焊接应力。（责任编辑：胡建平）────────────────

第一作者简介：蔺云峰，男，1972年生，1997年毕业于河北建筑科技学院机械设计与制造专业，工程师，山西霍州煤电集团机电总厂，山西省霍州市，031412.